WO2009136566A1 - 冷凍サイクル - Google Patents

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WO2009136566A1
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松元雄一
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サンデン株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/21—Refrigerant outlet evaporator temperature

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration cycle, and particularly to a refrigeration cycle that can be operated with high efficiency when a new specific refrigerant is used.
  • a refrigeration cycle used in a vehicle air conditioner or the like has a basic configuration as shown in FIG.
  • a refrigeration cycle 1 includes a compressor 2 for compressing refrigerant, a condenser 3 for condensing the compressed refrigerant, an expansion valve 4 as decompression / expansion means for decompressing / expanding the condensed refrigerant, An evaporator 5 for evaporating the expanded refrigerant is provided, and the refrigerant is circulated through the refrigeration cycle 1 while changing its state.
  • the refrigerant enters the compression step 12 by the compressor 2 as the state of the refrigerant on the outlet side of the evaporator 5.
  • the refrigeration capacity and the coefficient of performance (COP) of the refrigeration cycle 1 may be improved by giving the superheat degree 14 to the saturation curve 13 before.
  • 15 indicates an isentropic line
  • 16 indicates an isothermal line.
  • the characteristics shown in FIG. 2 are basically considered to be expressed as general characteristics of a refrigeration cycle in which the evaporator outlet side refrigerant is operated in an overheated state regardless of the type of refrigerant. There is a high possibility that the specific characteristics with specific numerical values will vary greatly depending on the type of refrigerant used.
  • R134a can be cited as a typical current refrigerant
  • research and development of a new refrigerant is being conducted with the aim of further improving the global warming potential (GWP) and the like (for example, Non-Patent Document 1).
  • GWP global warming potential
  • Recently, R1234yf has been announced as a new refrigerant aiming at such improvements, and it has become possible to conduct tests and research on application to refrigeration cycles used in, for example, vehicle air conditioners. .
  • the evaporator outlet side refrigerant superheat degree is generally set to about 5 deg, and it is operated under the condition of the superheat degree of about 5 deg regardless of high load or low load.
  • the superheat degree of about 5 deg is considered to be (1) a condition that is close to the minimum necessary value for bringing the refrigerant into the target gasification state at the evaporator outlet side, and (2) the superheat degree is temporarily set. If it is considerably higher than about 5 deg, the discharge refrigerant temperature from the compressor will rise too much, and the rise in the discharge refrigerant temperature will cause deterioration of the refrigeration oil contained in the refrigerant. In order to suppress this, the degree of superheat is suppressed to about 5 deg, and the discharge refrigerant temperature is not set to a certain level or more.
  • R1234yf when using the new refrigerant R1234yf, when operating under the same conditions as the case of the above-described current refrigerant R134a, R1234yf has a smaller specific enthalpy difference in the operation region than R134a, so when using R1234yf In order to obtain the same refrigeration capacity when using R134a and R134a, it is necessary to increase the refrigerant flow rate when using R1234yf. Therefore, in order to obtain the same refrigeration capacity, in the refrigeration cycle 1 having the basic configuration as shown in FIG. 1, the refrigerant flow rate is increased by increasing the number of revolutions of the compressor 2. As a result, the refrigeration coefficient of performance is also reduced, resulting in an undesirable operating state in terms of efficiency.
  • an object of the present invention is to provide a refrigeration cycle that can be operated with high efficiency, particularly when the refrigerant used is changed to R1234yf, which is a new refrigerant, based on the above-described new knowledge.
  • a refrigeration cycle includes a compressor that compresses a refrigerant, a condenser that condenses the compressed refrigerant, a decompression / expansion unit that decompresses / expands the condensed refrigerant, and a decompression / expansion unit.
  • a refrigeration cycle including an evaporator for evaporating the expanded refrigerant R1234yf is used as the refrigerant, the evaporator outlet side refrigerant is put into a superheated state, and operation is performed within a superheat range of 5 to 16 deg. Consists of features.
  • the refrigerant used was changed to R1234yf, which is a new refrigerant, instead of operating at about 5 deg. Is characterized in that, in order to operate the evaporator outlet side refrigerant in an overheated state, the refrigerant is operated within a range of superheat of 5 to 16 deg. As shown in FIG. 3 described later, when the refrigerant used is R1234yf, a higher coefficient of performance is obtained even when the evaporator outlet side refrigerant superheat degree is the same as that when the refrigerant used is R134a. An effect of improving (COP) is obtained.
  • the discharge refrigerant temperature may rise to a temperature that causes deterioration of the refrigerating machine oil in the refrigerant as described above.
  • R1234yf as shown in FIG. 4 to be described later, even if it is operated within the range of the superheat degree of 5 to 16 deg, the operation is suppressed. It is possible to suppress the discharge refrigerant temperature to the same level as in the case of the above.
  • the superheat degree of the refrigerant at the outlet side of the evaporator may be operated within the range of 5 to 16 deg, but the discharge is performed while keeping the superheat degree as high as possible for high efficiency operation.
  • the above operating condition with a superheat degree of 16 deg is comparable to the operating condition in the case of a high load with a superheat degree of about 5 deg in the case of R134a, and therefore by operating within the range of the superheat degree of 10 to 16 deg.
  • the superheat operating condition range set to the superheat degree operating condition lower limit value 10 deg does not have any overlapping range with the superheat condition (about 5 deg) in the case of the conventional R134a.
  • a superheat degree increasing means capable of satisfying the operation condition is provided.
  • Conventionally known means and mechanisms can be applied as such a superheat degree increasing means. Examples of such means and mechanisms include installation of a liquid / gas heat exchanger (for example, high pressure on the outlet side of the condenser).
  • Such a refrigeration cycle according to the present invention is basically applicable to any refrigeration cycle in which the new refrigerant R1234yf is to be used. However, it is particularly effective to prevent efficient operation and deterioration of refrigeration oil for a long period of time. It is suitable for a refrigeration cycle used in a vehicle air conditioner that requires high durability over a long period of time.
  • COP coefficient of performance
  • the refrigeration cycle 1 includes a compressor 2 that compresses refrigerant, a condenser 3 that condenses the compressed refrigerant, and expansion as decompression / expansion means that decompresses and expands the condensed refrigerant.
  • a valve 4 and an evaporator 5 for evaporating the decompressed / expanded refrigerant are provided, and the refrigerant on the outlet side of the evaporator 5 in the refrigeration cycle 1 is operated in an overheated state in order to improve the refrigerating capacity.
  • the cycle of the change in the state of the refrigerant due to the application of the superheat degree is basically as shown in the Mollier diagram of FIG.
  • FIG. 3 shows a case where the refrigerant R134a is used under certain conditions in a certain refrigeration cycle (refrigerant condensation temperature 52.6 ° C., refrigerant evaporation temperature 10 ° C., subcooling degree 6.1 deg before the expansion valve), and new refrigerant R1234yf.
  • the relationship of the rate of increase of the coefficient of performance (COP) with respect to the evaporator outlet-side refrigerant superheat degree when using is shown.
  • the COP increase rate increases as the evaporator outlet side refrigerant superheat degree increases, and the increase degree is higher in R1234yf. Therefore, in R1234yf, it can be seen that a higher coefficient of performance (COP) can be obtained by increasing the evaporator outlet side refrigerant superheat degree.
  • FIG. 4 shows a high pressure (high load) condition (condensation temperature 79.4 ° C.), a medium pressure (medium load) condition (condensation temperature 58.0 ° C.), and a low pressure (low load) condition (condensation temperature 43.0 ° C.).
  • the relationship between the evaporator outlet side refrigerant superheat degree and the discharged refrigerant temperature is shown.
  • the current superheat setting value when using R134a was about 5 deg regardless of the load as described above, but when R1234yf is used, the discharge refrigerant temperature is the same as that of R134a.
  • the point where the discharge refrigerant temperature value line in the case of R134a at each condition intersects the characteristic line of R1234yf may be obtained.
  • the preferred range when using R1234yf can be defined by the degree of refrigerant superheat. That is, the superheat degree 5 deg at the low pressure (low load) condition in the case of R134a corresponds to the superheat degree 10 deg at the low pressure (low load) condition in the case of R1234yf, and at the high pressure (high load) condition in the case of R134a.
  • the degree of superheat of 5 deg corresponds to the degree of superheat of 16 deg under high pressure (high load) conditions in the case of R1234yf. Therefore, from FIG. 4, it can be determined that the current superheat setting value 5 deg when using R134a for suppressing the discharged refrigerant temperature corresponds to the superheat setting range 10 deg to 16 deg when R1234yf is used. It can be seen that the operation within this range can suppress the deterioration of the refrigerating machine oil accompanying the rise in the discharged refrigerant temperature to the same extent as the current level. If the lower limit of this range is set to 5 deg, which is the same as the current value, it is possible to suppress the rise in the discharged refrigerant temperature more safely and prevent deterioration of the refrigerating machine oil more reliably.
  • the superheating degree should be increased. It can be seen that an increase in the discharged refrigerant temperature can be appropriately suppressed at the same time while obtaining a coefficient of performance (COP) improvement effect by the above, and it is possible to achieve both a high-efficiency operation and prevention of deterioration of the refrigerating machine oil.
  • COP coefficient of performance
  • the refrigeration cycle according to the present invention can be applied to any refrigeration cycle, and is particularly suitable as a refrigeration cycle used in a vehicle air conditioner.

Abstract

　圧縮機と、凝縮器と、減圧・膨張手段と、蒸発器とを備えた冷凍サイクルにおいて、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを使用するとともに、蒸発器出口側冷媒を過熱状態とし、その過熱度５～１６ｄｅｇの範囲内にて、好ましくは過熱度１０～１６ｄｅｇの範囲内にて運転することを特徴とする冷凍サイクル。使用冷媒を新冷媒であるＲ１２３４ｙｆに変更した場合に、高い成績係数向上効果を得つつ、吐出冷媒温度の上昇を適切に抑えて冷媒中の冷凍機油の劣化を防止でき、冷凍サイクル全体として高効率な運転を行うことができる。

Description

冷凍サイクル
　本発明は、冷凍サイクルに関し、とくに、新しい特定の冷媒を用いる場合に高効率に運転可能な冷凍サイクルに関する。
　例えば車両用空調装置等に用いられる冷凍サイクルは、図１に示すような基本構成を有している。図１において、冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器３と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段としての膨張弁４と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５とを備えており、この冷凍サイクル１中を冷媒がその状態を変化させながら循環される。このような冷凍サイクル１において、冷凍能力を向上させるためには、蒸発器５の出口側冷媒を飽和曲線に対し過熱状態として運転することが有効であることが知られている。
　例えば、図２のモリエル線図（エンタルピー／圧力曲線）中に冷凍サイクル１の運転状態の一例１１を示すように、蒸発器５の出口側冷媒の状態として、圧縮機２による圧縮工程１２に入る前に、飽和曲線１３に対して過熱度１４を与えることによって、冷凍サイクル１の冷凍能力および成績係数（ＣＯＰ）を向上可能な場合があることが知られている。なお、図２のモリエル線図中、１５は等エントロピー線、１６は等温度線をそれぞれ示している。
　図２に示したような特性は、基本的には冷媒の種類に関わらず、蒸発器出口側冷媒を過熱状態として運転する冷凍サイクルの一般的な特性として表すことができると考えられるが、実際には、使用する冷媒の種類によって、具体的な数値を伴う具体的特性としては大きく変わる可能性が高い。
　現状の代表的な冷媒としてＲ１３４ａを挙げることができるが、地球温暖化係数（ＧＷＰ）等のさらなる改善を目指して、新冷媒の研究、開発が行われている（例えば、非特許文献１）。このような改善を目指した新冷媒として、最近、Ｒ１２３４ｙｆが公表され、例えば、車両用空調装置等に用いられる冷凍サイクルへの適用についても、試験、研究を行うことが可能な状況となってきた。
冷凍２００８年３月号第８３巻第９６５号
　現行、冷媒としてＲ１３４ａを用いる場合には、蒸発器出口側冷媒過熱度は一般的に５ｄｅｇ程度にしており、高負荷、低負荷に関わらず、過熱度５ｄｅｇ程度の条件で運転されている。この過熱度５ｄｅｇ程度の条件は、（１）蒸発器出口側において冷媒を目標とするガス化状態とするための必要最小値に近い条件と考えられていることと、（２）仮に過熱度を５ｄｅｇ程度よりも相当高くしてしまうと、圧縮機からの吐出冷媒温度が上昇しすぎてしまい、その吐出冷媒温度の上昇しすぎは冷媒中に含まれる冷凍機油の劣化原因となるため、それを抑えるために過熱度を５ｄｅｇ程度に抑え、吐出冷媒温度をあるレベル以上にはしないようにすることとにより、設定された条件である。
　ところが、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合、上記の現行の冷媒Ｒ１３４ａの場合と同じ条件で運転したのでは、Ｒ１２３４ｙｆが、Ｒ１３４ａと比較して運転領域における比エンタルピー差が小さいので、Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合とＲ１３４ａを使用する場合とについて同一の冷凍能力を得るためには、Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合には冷媒流量を増加させる必要が生じることとなる。したがって、同一冷凍能力を得るためには、図１に示したような基本構成を備えた冷凍サイクル１において、圧縮機２の回転数を上昇させることで冷媒流量を増加させることとなり、圧縮機２の消費動力の増大を招き、その結果として冷凍成績係数も低減してしまい、効率上望ましくない運転状態となる。
　そこで本発明の課題は、上記のような新しい知見に基づき、とくに使用冷媒を新冷媒であるＲ１２３４ｙｆに変更した場合に、高効率で運転可能な冷凍サイクルを提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍サイクルにおいて、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを使用するとともに、前記蒸発器出口側冷媒を過熱状態とし、その過熱度５～１６ｄｅｇの範囲内にて運転することを特徴とするものからなる。
　すなわち、冷媒としてＲ１３４ａを使用していた場合に、蒸発器出口側冷媒を過熱状態とするためにその過熱度５ｄｅｇ程度で運転していたものを、使用冷媒を新冷媒であるＲ１２３４ｙｆに変更した場合には、蒸発器出口側冷媒を過熱状態で運転するために、その過熱度５～１６ｄｅｇの範囲内にて運転することを特徴とするものである。後述の図３に示すように、使用冷媒をＲ１２３４ｙｆとする場合には、使用冷媒をＲ１３４ａとする場合に比べて、同じ蒸発器出口側冷媒過熱度の上昇度合であっても、より高い成績係数（ＣＯＰ）向上効果が得られる。そして、過熱度の上昇度合を大きくすると、Ｒ１３４ａの場合には前述の如く吐出冷媒温度が冷媒中の冷凍機油の劣化原因となる温度まで上昇してしまうおそれがあるため、実際には過熱度５ｄｅｇ程度の条件に抑えて運転せざるを得なかったが、Ｒ１２３４ｙｆの場合には、後述の図４に示すように、過熱度５～１６ｄｅｇの範囲内にて運転しても、抑えて運転していた場合と同等の吐出冷媒温度までに抑えることが可能になる。したがって、過熱度を高くすることによる成績係数（ＣＯＰ）向上効果を得つつ、同時に、吐出冷媒温度過上昇を適切に抑えることができ、高効率な運転と冷凍機油の劣化防止とを望ましい形で両立させることができるようになる。
　本発明に係る冷凍サイクルにおいては、蒸発器出口側冷媒の過熱度は、５～１６ｄｅｇの範囲内にて運転されればよいが、高効率な運転のために過熱度を極力高く保ちながら、吐出冷媒温度の上昇を抑えて冷凍機油の劣化防止を達成するためには、過熱度１０～１６ｄｅｇの範囲内にて運転することが好ましい。つまり、上記の過熱度１０ｄｅｇの運転条件は、後述の図４に示すように、吐出冷媒温度のみについてみれば、Ｒ１３４ａの場合の過熱度５ｄｅｇ程度の条件の低負荷の場合の運転条件に匹敵し、上記の過熱度１６ｄｅｇの運転条件は、Ｒ１３４ａの場合の過熱度５ｄｅｇ程度の条件の高負荷の場合の運転条件に匹敵しているので、過熱度１０～１６ｄｅｇの範囲内にて運転することにより、全負荷条件に対して、Ｒ１３４ａの場合の吐出冷媒温度と同等の温度に抑えることが可能になり、過熱度の運転条件下限値を極力高くすることができる。この過熱度の運転条件下限値１０ｄｅｇとした過熱度運転条件範囲は、従来のＲ１３４ａの場合の過熱度の条件（５ｄｅｇ程度）と重複した範囲を全く有していない。
　また、本発明に係る冷凍サイクルにおいては、図１に示したような基本構成を備えた冷凍サイクルにおいて、冷媒にＲ１３４ａを使用した場合に比べて上記蒸発器出口側冷媒の過熱度を上昇させる手段を有することが好ましい。つまり、Ｒ１３４ａの場合の過熱度５ｄｅｇ程度に比べ、より高い過熱度範囲での運転となるため、その運転条件を満足させることのできる過熱度上昇手段を設けておくのである。このような過熱度上昇手段としては、従来から知られている手段や機構を適用でき、このような手段や機構として、例えば、液／ガス熱交換器の設置（例えば、凝縮器出口側の高圧側と蒸発器出口側の低圧側との熱交換を行う内部熱交換器の設置）、蒸発器内の蒸発管長の長大化、いわゆる顕熱熱交換器の設置、減圧・膨張手段（例えば膨張弁）の設定値の変更、等が挙げられる。
　このような本発明に係る冷凍サイクルは、基本的には新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用しようとするあらゆる冷凍サイクルに適用可能であるが、とくに効率の良い運転や、冷凍機油の劣化を防止して長期間にわたって高い耐久性が求められる車両用空調装置に用いられる冷凍サイクルに好適なものである。
　本発明に係る冷凍サイクルによれば、使用冷媒を新冷媒であるＲ１２３４ｙｆに変更した場合に、高い成績係数（ＣＯＰ）向上効果を得つつ、吐出冷媒温度の上昇を適切に抑えて冷媒中の冷凍機油の劣化を防止でき、冷凍サイクル全体として高効率な運転を行うことが可能になる。
本発明で対象としている冷凍サイクルの基本機器配置を示す概略構成図である。 蒸発器出口側冷媒過熱度を伴う冷凍サイクルの運転状態の一例を示すモリエル線図である。 蒸発器出口側冷媒過熱度と成績係数（ＣＯＰ）増加率との関係図である。 蒸発器出口側冷媒過熱度と吐出冷媒温度との関係図である。
　以下に、本発明について、本発明の実施の形態とともに図面を参照しながら説明する。　本発明に係る冷凍サイクルの配設機器の基本構成としては、図１に示したものと同等のものでよい。図１においては、前述したように、冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器３と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段としての膨張弁４と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５とを備えており、冷凍能力を向上させるために、冷凍サイクル１における蒸発器５の出口側冷媒が過熱状態とされて運転される。この過熱度付与による冷媒の状態の変化のサイクルは、基本的には図２のモリエル線図に示した通りである。
　図３は、ある冷凍サイクルにおけるある条件下（冷媒凝縮温度５２．６℃、冷媒蒸発温度１０℃、膨張弁手前過冷却度６．１ｄｅｇ）での、冷媒Ｒ１３４ａを使用した場合と、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用した場合との、蒸発器出口側冷媒過熱度に対する成績係数（ＣＯＰ）の増加率の関係を示している。図３に示すように、Ｒ１３４ａ、Ｒ１２３４ｙｆともに、蒸発器出口側冷媒過熱度を高めていくとＣＯＰ増加率は上昇し、その上昇度合はＲ１２３４ｙｆの方が高いことが分かる。したがって、Ｒ１２３４ｙｆにおいては、蒸発器出口側冷媒過熱度を高くすることにより、より優れた成績係数（ＣＯＰ）が得られることが分かる。
　図４は、高圧（高負荷）条件（凝縮温度７９．４℃）、中圧（中負荷）条件（凝縮温度５８．０℃）、低圧（低負荷）条件（凝縮温度４３．０℃）における、蒸発器出口側冷媒過熱度と吐出冷媒温度との関係を示している。図４に示すように、Ｒ１３４ａを用いる場合の現行過熱度設定値は前述の如く、負荷に関わらず、５ｄｅｇ程度であったが、Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合にもＲ１３４ａの場合と同等の吐出冷媒温度に抑える（吐出冷媒温度の上昇を抑える）ためには、各条件時におけるＲ１３４ａの場合の吐出冷媒温度の値の線がＲ１２３４ｙｆの特性線に交わる点を求めればよく、この交点における蒸発器出口側冷媒過熱度により、Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合の好適な範囲を規定することができる。つまり、Ｒ１３４ａの場合の低圧（低負荷）条件時の過熱度５ｄｅｇは、Ｒ１２３４ｙｆの場合の低圧（低負荷）条件時の過熱度１０ｄｅｇに相当し、Ｒ１３４ａの場合の高圧（高負荷）条件時の過熱度５ｄｅｇは、Ｒ１２３４ｙｆの場合の高圧（高負荷）条件時の過熱度１６ｄｅｇに相当している。したがって、この図４からは、吐出冷媒温度に抑えるための、Ｒ１３４ａを用いる場合の現行過熱度設定値５ｄｅｇは、Ｒ１２３４ｙｆの場合の過熱度設定範囲１０ｄｅｇ～１６ｄｅｇに相当していることが判断でき、この範囲での運転により、吐出冷媒温度上昇に伴う冷凍機油の劣化防止を、現行と同程度に抑えることができることが分かる。この範囲の下限値を現行と同じ５ｄｅｇとすれば、より安全に吐出冷媒温度上昇を抑えることができ、より確実に冷凍機油の劣化防止をはかることができる。
　これら図３および図４におけるＲ１３４ａとＲ１２３４ｙｆの特性比較および蒸発器出口側冷媒過熱度の適切な運転範囲の設定とから、本発明における規定によって、Ｒ１２３４ｙｆを用いる場合には、過熱度を高くすることによる成績係数（ＣＯＰ）向上効果を得つつ、同時に、吐出冷媒温度過上昇を適切に抑えることができ、高効率な運転と冷凍機油の劣化防止とを見事に両立させることができることが分かる。
　本発明に係る冷凍サイクルは、あらゆる冷凍サイクルに適用可能であり、とくに車両用空調装置に用いられる冷凍サイクルとして好適なものである。
１　冷凍サイクル
２　圧縮機
３　凝縮器
４　減圧・膨張手段としての膨張弁
５　蒸発器
１１　冷凍サイクルの運転状態の一例
１２　圧縮工程
１３　飽和曲線
１４　過熱度
１５　等エントロピー線
１６　等温度線

Claims (4)

  1. 　冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍サイクルにおいて、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを使用するとともに、前記蒸発器出口側冷媒を過熱状態とし、その過熱度が５～１６ｄｅｇの範囲内にて運転することを特徴とする冷凍サイクル。
  2. 　前記蒸発器出口側冷媒の過熱度が１０～１６ｄｅｇの範囲内にて運転する、請求項１に記載の冷凍サイクル。
  3. 　冷媒にＲ１３４ａを使用した場合に比べて前記蒸発器出口側冷媒の過熱度を上昇させる手段を有する、請求項１に記載の冷凍サイクル。
  4. 　車両用空調装置に用いられる、請求項１に記載の冷凍サイクル。
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